Операционный усилитель как выбрать

Операционные усилители. Виды и работа. Питание и особенности

Операционные усилители являются одними из основных компонентов в современных аналоговых электронных устройствах. Благодаря простоте расчетов и отличным параметрам, операционные усилители легки в применении. Их также называют дифференциальными усилителями, так как они способны усилить разность входных напряжений.

Особенно популярно использование операционных усилителей в звуковой технике, для усиления звучания музыкальных колонок.

Обозначение на схемах

Из корпуса усилителя обычно выходят пять выводов, из которых два вывода – входы, один – выход, остальные два – питание.

Принцип действия

Существуют два правила, помогающие понять принцип действия операционного усилителя:

1. Выход операционного усилителя стремится к нулевой разности напряжений на входах.
2. Входы усилителя не расходуют ток.

Первый вход обозначен «+», он называется неинвертирующим. Второй вход обозначен знаком «–», считается инвертирующим.

Входы усилителя имеют высокое сопротивление, называемое импедансом. Это позволяет расходовать ток на входах в несколько наноампер. На входе происходит оценка величины напряжений. В зависимости от этой оценки усилитель выдает на выход усиленный сигнал.

Большое значение имеет коэффициент усиления, который иногда достигает миллиона. Это означает, что если на вход подать хотя бы 1 милливольт, то на выходе напряжение будет равно величине напряжения источника питания усилителя. Поэтому операционники не применяют без обратной связи.

Входы усилителя действуют по следующему принципу: если напряжение на неинвертирующем входе будет выше напряжения инвертирующего входа, то на выходе окажется наибольшее положительное напряжение. При обратной ситуации на выходе будет наибольшее отрицательное значение.

Отрицательное и положительное напряжение на выходе операционного усилителя возможно из-за использования источника питания, обладающего расщепленным двуполярным напряжением.

Питание операционного усилителя

Если взять пальчиковую батарейку, то у нее два полюса: положительный и отрицательный. Если отрицательный полюс считать за нулевую точку отсчета, то положительный полюс покажет +1,5 В. Это видно по подключенному мультиметру.

Взять два элемента и подключить их последовательно, то получается следующая картина.

Если за нулевую точку принять отрицательный полюс нижней батарейки, а напряжение измерять на положительном полюсе верхней батарейки, то прибор покажет +10 вольта.

Если за ноль принять среднюю точку между батарейками, то получается источник двуполярного напряжения, так как имеется напряжение положительной и отрицательной полярности, равной соответственно +5 вольта и -5 вольта.

Существуют простые схемы блоков с расщепленным питанием, использующиеся в конструкциях радиолюбителей.

Питание на схему подается от бытовой сети. Трансформатор понижает ток до 30 вольт. Вторичная обмотка в середине имеет ответвление, с помощью которого на выходе получается +15 В и -15 В выпрямленного напряжения.

Разновидности

Существует несколько разных схем операционных усилителей, которые стоит рассмотреть подробно.

Инвертирующий усилитель

Такая схема является основной. Особенностью этой схемы является то, что операционники характеризуются кроме усиления, еще и изменением фазы. Буква «k» обозначает параметр усиления. На графике изображено влияние усилителя в данной схеме.

Синий цвет отображает входной сигнал, а красный цвет – выходной сигнал. Коэффициент усиления в этом случае равен: k = 2. Амплитуда сигнала на выходе в 2 раза больше, сигнала на входе. Выходной сигнал усилителя перевернут, отсюда и его название. Инвертирующие операционные усилители имеют простую схему:

Такие операционные усилители стали популярными из-за своей простой конструкции. Для вычисления усиления применяют формулу:

Отсюда видно, что усиление операционника не зависит от сопротивления R3, поэтому можно обойтись без него. Здесь он применяется для защиты.

Неинвертирующие операционные усилители

Эта схема подобна предыдущей, отличием является отсутствие инверсии (перевернутости) сигнала. Это означает сохранение фазы сигнала. На графике изображен усиленный сигнал.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя также равен: k = 2. На вход подается сигнал в форме синусоиды, на выходе изменилась только ее амплитуда.

Эта схема не менее простая, чем предыдущая, в ней имеется два сопротивления. На входе сигнал подается на плюсовой вывод. Для расчета коэффициента усиления требуется использовать формулу:

Из нее видно, что коэффициент усиления не бывает меньше единицы, так как сигнал не подавляется.

Схема вычитания

Эта схема дает возможность создания разности двух сигналов на входе, которые могут быть усилены. На графике показан принцип действия дифференциальной схемы.

Такую схему усилителя еще называют схемой вычитания.

Она имеет более сложную конструкцию, в отличие от рассмотренных ранее схем. Для расчета выходного напряжения пользуются формулой:

Левая часть выражения (R3/R1) определяет коэффициент усиления, а правая часть (Ua – Ub) является разностью напряжений.

Схема сложения

Такую схему называют интегрированным усилителем. Она противоположна схеме вычитания. Особенностью ее является возможность обработки больше двух сигналов. На таком принципе действуют все звуковые микшеры.

Эта схема показывает возможность суммирования нескольких сигналов. Для расчета напряжения применяется формула:

Схема интегратора

Если в схему добавить конденсатор в обратную связь, то получится интегратор. Это еще одно устройство, в котором используются операционные усилители.

Схема интегратора подобна инвертирующему усилителю, с добавлением емкости в обратную связь. Это приводит к зависимости работы системы от частоты сигнала на входе.

Интегратор характеризуется интересной особенностью перехода между сигналами: сначала прямоугольный сигнал преобразуется в треугольный, далее он переходит в синусоидальный. Расчет коэффициента усиление проводится по формуле:

В этой формуле переменная ω = 2πf повышается с возрастанием частоты, следовательно, чем больше частота, тем коэффициент усиления меньше. Поэтому интегратор может действовать в качестве активного фильтра низких частот.

Схема дифференциатора

В этой схеме получается обратная ситуация. На входе подключена емкость, а в обратной связи подключено сопротивление.

Судя по названию схемы, ее принцип работы заключается в разнице. Чем больше скорость изменения сигнала, тем больше величина коэффициента усиления. Этот параметр дает возможность создавать активные фильтры для высокой частоты. Коэффициент усиления для дифференциатора рассчитывается по формуле:

Это выражение обратно выражению интегратора. Коэффициент усиления повышается в отрицательную сторону с возрастанием частоты.

Аналоговый компаратор

Устройство компаратора сравнивает два значения напряжения и переводит сигнал в низкое или высокое значение на выходе, в зависимости от состояния напряжения. Эта система включает в себя цифровую и аналоговую электронику.

Особенностью этой системы является отсутствие в основной версии обратной связи. Это означает, что сопротивление петли очень велико.

На плюсовой вход подается сигнал, а на минусовой вход подается основное напряжение, которое задается потенциометром. Ввиду отсутствия обратной связи коэффициент усиления стремится к бесконечности.

При превышении напряжения на входе величины основного опорного напряжения, на выходе получается наибольшее напряжение, которое равно положительному питающему напряжению. Если на входе напряжение будет меньше опорного, то выходным значением будет отрицательное напряжение, равное напряжению источника питания.

В схеме аналогового компаратора имеется значительный недостаток. При приближении значений напряжения на двух входах друг к другу, возможно частое изменение выходного напряжения, что обычно приводит к пропускам и сбоям в работе реле. Это может привести к нарушению работы оборудования. Для решения этой задачи применяют схему с гистерезисом.

Аналоговый компаратор с гистерезисом

На рисунке показана схема действия схемы с гистерезисом, которая аналогична предыдущей схеме. Отличием является то, что выключение и включение не происходит при одном напряжении.

Направление стрелок на графике указывает направление перемещения гистерезиса. При рассмотрении графика слева направо видно, что переход к более низкому уровню осуществляется при напряжении Uph, а двигаясь справа налево, напряжение на выходе достигнет высшего уровня при напряжении Upl.

Такой принцип действия приводит к тому, что при равных значениях входных напряжений, состояние на выходе не изменяется, так как для изменения требуется разница напряжений на существенную величину.

Такая работа схемы приводит к некоторой инертности системы, однако это более безопасно, в отличие от схемы без гистерезиса. Обычно такой принцип действия применяется в нагревательных приборах с наличием термостата: плиты, утюги и т.д. На рисунке изображена схема усилителя с гистерезисом.

Напряжения рассчитываются по следующим зависимостям:

Повторители напряжения

Операционные усилители часто применяются в схемах повторителей напряжения. Основной особенностью этих устройств является то, что в них не происходит усиления или ослабления сигнала, то есть, коэффициент усиления в этом случае равен единице. Такая особенность связана с тем, что петля обратной связи имеет сопротивление, равное нулю.

Такие системы повторителей напряжения чаще всего используются в качестве буфера для увеличения нагрузочного тока и работоспособности устройства. Так как входной ток приближен к нулю, а ток на выходе зависит от вида усилителя, то есть возможность разгрузки слабых источников сигнала, например, некоторых датчиков.

Операционный усилитель

Что такое операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток.

Термин «операционный» укрепился давно, так как первые образцы ОУ использовались для различных математических операций типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и тд. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн!

Схема операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

Итак, далее по классике, слева два входа, а справа – выход.

Вход со знаком «плюс» называют НЕинвертирующий, а вход со знаком «минус» инвертирующий. Не путайте эти два знака с полярностью питания! Они НЕ говорят о том, что надо в обязательном порядке подавать на инвертирующий вход сигнал с отрицательной полярностью, а на НЕинвертирующий сигнал с положительной полярностью, и далее вы поймете почему.

Питание операционных усилителей

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как +U и -U, V_CC и V_EE, Vc и V_E. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять – двухполярное питание?

Давайте представим себе батарейку

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть “плюс” и есть “минус”. В этом случае “минус” батарейки принимают за ноль, и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

Для того, чтобы понять суть работы ОУ, рассмотрим его идеальную и реальную модели.

1) Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.

В реальных ОУ значение входного сопротивления зависит от назначения ОУ (универсальный, видео, прецизионный и т.п.) типа используемых транзисторов и схемотехники входного каскада и может составлять от сотен Ом и до десятков МОм. Типовое значение для ОУ общего применения – несколько МОм.

2) Второе правило вытекает из первого правила. Так как входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое, то входной ток будет равняться нулю.

На самом же деле это допущение вполне справедливо для ОУ с полевыми транзисторами на входе, у которых входные токи могут быть меньше пикоампер. Но есть также ОУ с биполярными транзисторами на входе. Здесь уже входной ток может быть десятки микроампер.

3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

Это значит, что напряжение на выходе ОУ не будет изменяться при изменении тока нагрузки. В реальных ОУ общего применения выходное сопротивление составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Кроме того, выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.

4) Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой. В реальности он ограничен внутренней схемотехникой ОУ, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.

5) Так как коэффициент усиления бесконечно большой, следовательно, разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю. Иначе если даже потенциал одного входа будет больше или меньше хотя бы на заряд одного электрона, то на выходе будет бесконечно большой потенциал.

6) Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах. В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).

Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

Принцип работы ОУ очень прост. Он сравнивает два напряжения и на выходе уже выдает отрицательный, либо положительный потенциал питания. Все зависит от того, на каком входе потенциал больше. Если потенциал на НЕинвертирующем входе U1 больше, чем на инвертирующем U2, то на выходе будет +Uпит, если же на инвертирующем входе U2 потенциал будет больше, чем на НЕинвертирующем U1, то на выходе будет -Uпит. Вот и весь принцип ;-).

Давайте рассмотрим этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы

Подадим на НЕинвертирующий вход 2 Вольта, а на инвертирующий вход 1 Вольт. Так как на НЕинвертирующем входе потенциал больше, то следовательно, на выходе мы должны получить +Uпит. Мы получили 13,5 Вольт, что близко к этому значению

Но почему не 15 Вольт? Виновата во всем сама внутренняя схемотехника ОУ. Максимальное значение ОУ не всегда может равняться положительному либо отрицательному напряжению питания. Оно может отклоняться от 0,5 и до 1,5 Вольт в зависимости от типа ОУ.

Но, как говорится, в семье не без уродов, и поэтому на рынке уже давно появились ОУ, которые могут выдавать на выходе допустимое напряжение питания, то есть в нашем случае это значения, близкие к +15 и -15 Вольтам. Такая фишка называется Rail-to-Rail, что в дословном переводе с англ. “от рельса до рельса”, а на языке электроники “от одной шины питания и до другой”.

Давайте теперь на инвертирующий вход подадим потенциал больше, чем на НЕинвертирущий. На инвертирующий подаем 2 Вольта, а на НЕинвертирующий подаем 1 Вольт:

Как вы видите, в данный момент выход “лег” на -Uпит, так как на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на НЕинвертирующем.

Чтобы не качать лишний раз программный комплекс Proteus, можно в онлайне с помощью программы Falstad сэмулировать работу идеального ОУ. Для этого выбираем вкладку Circuits—Op-Amps—>OpAmp. В результате на вашем экране появится вот такая схемка:

На правой панели управления увидите бегунки для добавления напряжения на входы ОУ и уже можете визуально увидеть, что получится на выходе ОУ при изменении напряжения на входах.

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

Кому верить? Никому! В реале, такое сделать невозможно, чтобы на два входа загнать абсолютно равные напряжения. Поэтому такое состояние ОУ будет неустойчивым и значения на выходе могут принимать значения или -E Вольт, или +E Вольт.

Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

Что можно сказать в этом случае? Когда синусоидальный сигнал находится в отрицательной области, на выходе ОУ у нас -Uпит, а когда синусоидальный сигнал находится в положительной области, то и на выходе имеем +Uпит. Также обратите внимание на то, что напряжение на выходе ОУ не может резко менять свое значение. Поэтому, в ОУ есть такой параметр, как скорость нарастания выходного напряжения V_{Uвых .}

Этот параметр показывает насколько быстро может измениться выходное напряжение ОУ при работе в импульсных схемах. Измеряется в Вольт/сек. Ну и как вы поняли, чем больше значение этого параметра, тем лучше ведет себя ОУ в импульсных схемах. Для LM358 этот параметр равен 0,6 В/мкс.

Операционный усилитель как выбрать

Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.

Автор:
Опубликовано 01.01.1970

Всем привет.
В этой статье мы обсудим некоторые аспекты практического применения операционных усилителей в повседневной жизни радиолюбителя.
Не растекаясь мыслею по древу и не вдаваясь в дремучие теоретические основы работы вышеозначенного усилителя, давайте все же обозначим некоторые основные термины и понятия, с которыми нам предстоит столкнуться в дальнейшем.
Итак – операционный усилитель. Далее будем называть его ОУ, а то очень лень писать каждый раз полностью.
На принципиальных схемах, чаще всего, он обозначается следующим образом:

На рисунке обозначены три самых главных вывода ОУ – два входа и выход. Разумеется, есть еще выводы питания и иногда выводы частотной коррекции, хотя последнее встречается все реже – у большинства современных ОУ она встроенная. Два входа ОУ – Инвертирующий и Неинвертирующий названы так по присущим им свойствам. Если подать сигнал на Инвертирующий вход, то на выходе мы получим инвертированный сигнал, то бишь сдвинутый по фазе на 180 градусов – зеркальный; если же подать сигнал на Неинвертирующий вход, то на выходе мы получим фазово не измененный сигнал.

Так же как и основных выводов, основных свойств ОУ тоже три – можно назвать их ТриО (или ООО – кому как нравится): Очень высокое сопротивление входа, Очень высокий коэффициент усиления (10000 и более), Очень низкое сопротивление выхода. Еще один очень важный параметр ОУ называется скорость нарастания напряжения на выходе (slew rate на буржуинском). Обозначает он фактически быстродействие данного ОУ – как быстро он сможет изменить напряжение на выходе при изменение оного на входе.
Измеряется этот параметр в вольтах в секунду (В/сек).
Этот параметр важен прежде всего для товарищей, конструирующих УЗЧ, поскольку, если ОУ недостаточно быстрый, то он не будет успевать за входным напряжением на высоких частотах и возникнут изрядные нелинейные искажения. У большинства современных ОУ общего назначения скорость нарастания сигнала от 10В/мксек и выше. У быстродействующих ОУ этот параметр может достигать значения 1000В/мксек.
Оценить – подходит ли тот или иной ОУ для ваших целей по скорости нарастания сигнала можно по формуле:

где, fmax – частота синусоидального сигнала, Vmax – скорость нарастания сигнала, Uвых – максимальное выходное напряжение.
Ну да не будем больше тянуть кота за хвост – приступим к главной задаче этого опуса – куда, собственно, эти клевые штуки можно воткнуть и что из этого можно получить.

Первая схема включения ОУ – инвертирующий усилитель.

Наиболее популярная и часто встречающаяся схема усилителя на ОУ. Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход подключается к общему проводу.
Коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R1 и R2 и считается по формуле:

Почему “минус”? Потому что, как мы помним, в инвертирующем усилителе фаза выходного сигнала “зеркальна” фазе входного.
Входное сопротивление определяется резистором R1. Ежели его сопротивление, например 100кОм, то и входное сопротивление усилителя будет 100кОм.

Следующая схема – инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением.
Предыдущая схема всем хороша, за исключением одного нюанса – соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо специфического проекта. Ведь что получается – допустим, нам нужен усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R2=1Мом, а R1=10кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно.
В этих самых случая можно применить следующую схему:

В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:

То есть, при том же коэффициенте усиление сопротивление R1 можно увеличить, а значит и повысить входное сопротивление усилителя.

Едем дальше – неинвертирующий усилитель.
Выглядит он следующим образом:

Коэффициент усиления определяется так:

В данном случае, как видите, никаких минусов нет – фаза сигнала на входе и на выходе совпадает.
Основное отличие от инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении, которое может достигать 10Мом и выше.
Если при реализации данной схемы в практических конструкциях, необходимо предусмотреть развязку с предыдущими каскадами по постоянному току – установить разделительный конденсатор, то нужно между входом ОУ и общим проводом включить резистор сопротивлением около 100кОм, как показано на рисунке.

Если этого не сделать, то ОУ перевозбудится и ничего дельного вы от него не получите. Ну кроме половины питания на выходе.

Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления.

Примем R1=R2=R3=R. И введем некую переменную А, которая может принимать значения от 1 до 0 в зависимости от поворота движка переменного резистора R3.
Тогда коэффициент усиления можно определить так:
K=2A-1
Входное сопротивление практически не зависит от положения движка переменного резистора.
Так, с усилителями разобрались – дальше у нас по плану – фильтры.

Модели операционных усилителей

Хотя упоминание об операционных усилителях обычно вызывает воспоминание о полупроводниковых устройствах, построенных как интегральные микросхемы на миниатюрном кремниевом чипе, первые операционные усилители были фактически схемами на электронных лампах. Первый коммерческий операционный усилитель общего назначения был изготовлен компанией George A. Philbrick Researches, Incorporated в 1952 году. Обозначенный как K2-W, он был построен на двух сдвоенных триодных лампах, смонтированных вместе с восьмивыводным разъемом для легких установки и обслуживания в шасси электронного оборудования той эпохи. Сборка выглядела примерно так:

Операционный усилитель Philbrick Researches, модель K2-W

Принципиальная схема представляет собой две лампы, а также десять резисторов и два конденсатора, довольно простая схема даже по стандартам 1952 года:

Операционный усилитель K2-W, принципиальная схема

В случае если вы не знакомы с работой электронных вакуумных ламп, они работают аналогично полевым транзисторам с изолированным затвором (IGFET) с обедненным каналом N-типа: то есть они проводят большой ток, когда управляющая сетка (пунктирная линия) становится более положительной по напряжению по отношению к катоду (изогнутая линия в нижней части условного обозначения лампы), и проводят меньше тока, когда управляющая сетка по напряжению менее положительна (или более отрицательна), чем катод. Лампа двойного триода слева работает как дифференциальная пара, преобразующая дифференциальные входные сигналы (сигналы напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах) в один усиленный сигнал напряжения, который затем подается на управляющую сетку левого триода второй триодной пары через делитель напряжения (1 МОм – 2,2 МОм). Этот триод усиливает и инвертирует выходной сигнал дифференциальной пары для получения большего коэффициента усиления по напряжению, затем усиленный сигнал подается на второй триод этой же лампы двойного триода в схеме неинвертирующего усилителя для получения большего коэффициента усиления по току. Две неоновые «светящиеся лампы» действуют как стабилизаторы напряжения, аналогично поведению полупроводниковых стабилитронов, для обеспечения напряжения смещения в соединении между двумя несимметричными триодными усилителями.

При напряжении двуполярного источника питания +300/-300 вольт этот операционный усилитель мог развивать выходное напряжение только до +/- 50 вольт, что очень плохо по сегодняшним стандартам. Он имел коэффициент усиления по напряжению при разомкнутой петле обратной связи от 15000 до 20000, скорость нарастания +/- 12 вольт/микросекунда, максимальный выходной ток 1 мА, потребляемую мощность более 3 Вт (без учета ламп накаливания!), и стоил около 24 долларов в 1952 году. Лучшей производительности можно было бы достичь, используя более сложную конструкцию схемы, но только при большем энергопотреблении, большей стоимости и пониженной надежности.

С появлением твердотельных транзисторов стали возможны операционные усилители с гораздо меньшим энергопотреблением и повышенной надежностью, но многие другие параметры производительности остались примерно такими же. Возьмем, к примеру, модель P55A от Philbrick, твердотельный операционный усилитель общего назначения примерно 1966 года. P55A демонстрировал коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи 40000, скорость нарастания 1,5 вольт/мкс и размах выходного сигнала +/- 11 вольт (при напряжении источника питания +/- 15 вольт), максимальный выходной ток 2,2 мА и стоимость 49 долларов (или около 21 доллара для версии «широкого потребления»). P55A, как и другие операционные усилители линейки Philbrick, имел дискретную компонентную конструкцию, состоящую из транзисторов, резисторов и конденсаторов, помещенных в твердый «кирпич», напоминающий большой корпус интегральной микросхемы.

Построить неточный операционный усилитель на дискретных компонентах нетрудно. Схема одной такой схемы показана на рисунке ниже.

Простой операционный усилитель, выполненный на дискретных компонентах

Несмотря на то, что его производительность по современным стандартам довольно неутешительна, он демонстрирует, что для создания минимально функционирующего операционного усилителя сложность не требуется. Транзисторы Q3 и Q4 формируют сердце другой схемы дифференциальной пары, полупроводникового эквивалента первой триодной лампы в схеме K2-W. Как и в схеме с электронной вакуумной лампой, назначением дифференциальной пары является усиление и преобразование дифференциального напряжения между двумя входными клеммами в выходное несимметричное напряжение.

С появлением технологии интегральных микросхем (ИМС) в конструкциях операционных усилителей произошло резкое увеличение производительности, надежности, плотности и экономичности. Между 1964 и 1968 годами корпорация Fairchild представила три модели микросхем операционных усилителей: 702, 709 и всё еще популярный 741. Хотя 741 в настоящее время считается устаревшим с точки зрения производительности, он по-прежнему пользуется популярностью среди любителей за свою простоту и отказоустойчивость (например, защита от короткого замыкания на выходе). Личный опыт использования множества операционных усилителей 741 привел меня к выводу, что его сложно убить.

Внутренняя принципиальная схема операционного усилителя модели 741 показана на рисунке ниже.

Операционный усилитель, модель 741. Принципиальная схема

По стандартам интегральных микросхем 741 является очень простым устройством: пример низкой степени интеграции, или технологии SSI (small-scale integration). Сборка этой схемы на дискретных компонентах стоила бы усилий, поэтому вы можете увидеть преимущества даже самой примитивной технологии интегральных микросхем по сравнению с дискретными компонентами, когда задействовано большое количество элементов.

Радиолюбителям, студентам и инженерам, желающим повысить производительность, на выбор предлагаются сотни моделей операционных усилителей. Многие продаются по цене менее доллара за штуку даже в розницу. Операционные усилители специального назначения, измерительные (инструментальные) и радиочастотные, могут быть немного дороже. В этом разделе я продемонстрирую несколько популярных и доступных операционных усилителей, сравнивая их технические характеристики. Достопочтенный 741 включен в качестве «эталона» для сравнения, хотя он, как я уже говорил, считается устаревшим.

Модели операционных усилителей

Широко используемые модели операционных усилителей

Модель	Устройства/корпус	Напряжение питания	Полоса пропускания	Ток смещения	Скорость нарастания напряжения	Выходной ток
(номер)	(количество)	(В)	(МГц)	(нА)	(В/мкс)	(мА)
TL082	2	12 / 36	4	8	13	17
LM301A	1	10 / 36	1	250	0.5	25
LM318	1	10 / 40	15	500	70	20
LM324	4	3 / 32	1	45	0.25	20
LF353	2	12 / 36	4	8	13	20
LF356	1	10 / 36	5	8	12	25
LF411	1	10 / 36	4	20	15	25
741C	1	10 / 36	1	500	0.5	25
LM833	2	10 / 36	15	1050	7	40
LM1458	2	6 / 36	1	800	10	45
CA3130	1	5 / 16	15	0.05	10	20

В приведенной выше таблице перечислены лишь некоторые из недорогих моделей операционных усилителей, широкодоступных у поставщиков электроники. Большинство из них доступно в розничных магазинах. Все цены ниже 1 доллара. Как вы можете видеть, между некоторыми из этих устройств наблюдается существенная разница в производительности. Возьмем, к примеру, параметр входного тока смещения: CA3130 выигрывает приз за самое низкое значение, 0,05 нА (или 50 пА), а LM833 имеет самое высокое значение, чуть более 1 мкА. Модель CA3130 достигает своего невероятно низкого тока смещения благодаря использованию MOSFET транзисторов в своем входном каскаде. Один производитель объявляет входное сопротивление 3130 равным 1,5 тераом, или 1,5 x 10 12 Ом! Другие операционные усилители, показанные здесь, с низкими значениями тока смещения используют на входах полевые транзисторы (JFET), в то время как модели с высоким током смещения используют на входах биполярные транзисторы.

В то время как 741 указывается в схемах многих электронных проектов и демонстрируется во многих учебниках, его производительность во всех отношениях давно обойдена другими конструкциями. Некоторые конструкции, даже изначально основанные на 741, с годами были улучшены, чтобы значительно превзойти первоначальные технические характеристики. Одним из таких примеров является модель 1458, два операционных усилителя в 8-выводном DIP корпусе, которая когда-то имела те же характеристики производительности, что и одиночный 741. В своем последнем воплощении он может похвастаться более широким диапазоном напряжений источника питания, скоростью нарастания напряжения в 50 раз выше и почти вдвое большим выходным током по сравнению с 741, при этом сохранив функцию защиты от короткого замыкания как в 741. Операционные усилители с полевыми транзисторами (JFET и MOSFET) на входах значительно превосходят характеристики 741 по току смещения и, как правило, превосходят 741 по ширине полосы частот и скорости нарастания напряжения.

Мои персональные рекомендации для операционных усилителей таковы: когда приоритетом является низкий ток смещения (например, в схемах низкоскоростных интеграторов), выбирайте 3130. Для работы усилителя постоянного тока общего назначения хорошую производительность предлагает модель 1458 (и вы можете получить два операционных усилителя в одном корпусе). Для повышения производительности выбирайте модель 353, так как это совместимая по выводам замена для 1458. 353 разработан с входной схемой на полевых транзисторах для получения очень низкого тока смещения и имеет полосу пропускания, в 4 раза большую, чем у 1458, хотя его ограничение по выходному току ниже (но выход всё еще имеет защиту от короткого замыкания). Может быть, его будет труднее найти на полке вашего местного магазина радиодеталей, но он всё еще продается по разумной цене, как и 1458.

Если требуется низкое напряжение питания, я рекомендую модель 324, так как она работает при постоянном напряжении 3 В. Ее требования к входному току смещения также низки, и она предоставляет четыре операционных усилителя в одной 14-выводной микросхеме. Ее основными недостатками являются скорость, полоса пропускания, ограниченная до 1 МГц, и скорость нарастания выходного напряжения только 0,25 вольт в микросекунду. Для схем высокочастотных усилителей хорошо подходит модель «общего назначения» 318.

Операционные усилители специального назначения, доступные по скромной цене, обеспечивают лучшие технические характеристики. Многие из них выполнены для определенного типа преимуществ по производительности, таких как максимальная полоса пропускания или минимальный ток смещения. Возьмем, для примера, операционные усилители в таблице ниже, оба из которых рассчитаны на высокую пропускную способность.

Операционные усилители с высокой пропускной способностью

Модель	Устройства/корпус	Напряжение питания	Полоса пропускания	Ток смещения	Скорость нарастания напряжения	Выходной ток
(номер)	(количество)	(В)	(МГц)	(нА)	(В/мкс)	(мА)
CLC404	1	10 / 14	232	44000	2600	70
CLC425	1	5 / 14	1900	40000	350	90

CLC404 стоит 21,8 долларов (почти столько же, сколько первый коммерческий операционный усилитель Джорджа Филбрика, хотя и без поправки на инфляцию), а CLC425 стоит немного дешевле – 3,23 доллара за штуку. В обоих случаях высокая скорость достигается за счет высоких токов смещения и ограниченных диапазонов напряжения питания.

Некоторые операционные усилители, рассчитанные на высокую выходную мощность, перечислены в таблице ниже.

Операционные усилители с высокими выходными токами

Модель	Устройства/корпус	Напряжение питания	Полоса пропускания	Ток смещения	Скорость нарастания напряжения	Выходной ток
(номер)	(количество)	(В)	(МГц)	(нА)	(В/мкс)	(мА)
LM12CL	1	15 / 80	0.7	1000	9	13000
LM7171	1	5.5 / 36	200	12000	4100	100

Да, на самом деле LM12CL имеет номинальный выходной ток 13 ампер (13000 миллиампер)! Он стоит 14,4 долларов, что не так уж и много, учитывая мощность устройства. LM7171, с другой стороны, обменивает способность высокого выходного тока на способность быстрого изменения выходного напряжения (высокой скорости нарастания напряжения). Он стоит 1,19 доллара, примерно столько же, сколько стоят некоторые операционные усилители общего назначения.

Также могут быть приобретены сборки усилителей, готовые к применению, в отличие от голых операционных усилителей. Например, корпорации Burr-Brown и Analog Devices, давно известные своими линейками прецизионных усилителей, предлагают в заранее разработанных корпусах инструментальные усилители, а также другие специализированные усилительные устройства. В конструкциях, где важны высокая точность и повторяемость после ремонта, разработчику может быть выгоднее выбрать такой заранее спроектированный усилительный «блок», а не создавать схему из отдельных операционных усилителей. Конечно, эти устройства обычно стоят немного больше, чем отдельные операционные усилители.